（机械电子工程专业论文）螺旋油楔滑动轴承空穴特性的理论与实验研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt os h a n d o n g u n i v e r s i t y f o rt h ed e g r e eo fd o c t o ro fp h i l o s o p h y t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h ec a v i t a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fas p i r a lo i lw e d g ej o u r n a lb e a r i n g c a n d i d a t e ： y a n gy i n g s p e c i a l t y ： m e c h a t r o n i c s s u p e r v i s o r ：p r o f l uc h a n g h o u s h a n d o n gu n i v e r s i t y a p r i l2 0 1 0 原创性声明 本人郑重声明0 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 拯莹 日 期：塑! ! 堡：三2 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和 电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：越导师签名：塑! 里! 兰：专j 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 研究背景l 1 2 研究意义2 1 3 动静压轴承的研究现状3 1 3 1 流体润滑理论的研究3 1 3 2 动静压轴承结构的研究6 1 3 3 油膜边界条件的研究7 1 4 滑动轴承空穴研究9 1 4 1 空穴算法研究9 1 4 2 空穴实验研究10 1 5 本文研究方法和主要内容1 2 第2 章考虑空穴的螺旋油楔滑动轴承的建模1 5 2 1 引言15 2 2 轴承系统建模分析15 2 2 1 轴承结构1 5 2 2 2 油膜厚度计算1 6 2 2 3 空穴模型18 2 3 通用方程的求解2 0 2 3 1 网格划分与方程离散2 0 2 - 3 2 边界条件2 1 2 3 3 数值计算2 4 2 4 螺旋油楔滑动轴承的问隙特点2 6 2 5 螺旋油楔滑动轴承的压力分布2 7 2 6 本章小结2 8 山东大学博士学位论文 第3 章螺旋油楔滑动轴承空穴特性的理论研究：2 9 3 1 引言2 9 3 2 螺旋油楔滑动轴承油膜破裂区域形状2 9 3 3 油腔螺旋角对螺旋油楔滑动轴承油膜破裂的影响3 0 3 3 1 油腔螺旋角对油膜破裂位置的影响3 0 3 3 2 油腔螺旋角对油膜再形成位置的影响3 1 3 3 3 油腔螺旋角对油膜破裂面积的影响3 2 3 4 转速对螺旋油楔滑动轴承油膜破裂的影响3 3 3 4 1 转速对油膜破裂位置的影响3 3 3 4 2 转速对油膜再形成位置的影响3 4 3 4 3 转速对油膜破裂面积的影响3 5 3 5 供油压力对螺旋油楔滑动轴承油膜破裂的影响3 6 3 5 1 供油压力对油膜破裂位置的影响3 6 3 5 2 供油压力对油膜再形成位置的影响3 7 3 5 3 供油压力对油膜破裂面积的影向3 8 3 6 偏心率对螺旋油楔滑动轴承油膜破裂的影u 向3 8 3 6 1 偏心率对油膜破裂位置的影响3 8 3 6 2 偏心率对油膜再形成位置的影响3 9 3 6 3 偏心率对油膜破裂面积的影响4 0 3 7 本章小结4 1 第4 章螺旋油楔滑动轴承的空穴实验研究4 3 4 1 引言4 3 4 2 实验方案4 3 4 2 1 实验系统构成4 3 4 2 2 实验轴承调整4 5 4 2 3 主要实验参数4 5 4 2 4 实马金内容4 7 4 2 5 实验方法4 7 4 3 实验结果及讨论4 8 l i 目录 4 3 1 油膜空穴形状及油膜破裂位置4 8 4 3 2 油膜再形成位置5 6 4 3 3 油膜破裂面积6 9 4 3 4 破裂区域气穴条数7 2 4 3 5 轴承端泄量7 3 4 3 6 出油孔流量。7 5 4 3 7 润滑油平均温升7 7 4 4 本章小结7 8 第5 章边界条件对螺旋油楔滑动轴承的静动特性影响研究8 l 5 1 引言8 l 5 2 理论基础8l 5 2 1 静特性模型8 l 5 2 2 动特性模型8 2 5 2 3 边界条件8 4 5 3 轴承静特性的影响因素分析8 5 5 3 1 油腔螺旋角对轴承静特性的影响8 5 5 3 2 油腔宽度与轴承宽度比值对轴承静特性的影响8 6 5 - 3 3 油腔包角对轴承静特性的影响8 7 5 4 轴承动特性的影响因素分析8 8 5 4 1 油腔螺旋角对轴承动特性的影响8 8 5 4 2 长径比对轴承动特性的影响9 0 5 4 3 静偏心率对轴承动特性的影响9 2 5 5 本章小结9 4 第6 章计入空化效应的螺旋油楔滑动轴承的热动力分析9 7 6 1 引言9 7 6 2 理论分析9 7 6 2 1 广义雷诺方程9 7 6 2 2 粘温方程9 8 6 2 3 油膜能量方程9 8 山东大学博十学位论文 6 2 4 轴瓦热传导方程9 9 6 2 5 温度边界条件1 0 0 6 3 两相流空穴模型1 0 1 6 4 温度分布的数值求解1 0 1 6 5 轴承内表面温度分布1 0 3 6 5 1 油腔螺旋角对轴承内表面温度的影响1 0 3 6 5 2 供油压力对轴承内表面温度的影响1 0 3 6 5 3 供油温度对轴承内表面温度的影响规律1 0 4 6 6 本章小结1 0 5 论1 0 7 文献1 1l 博士学位期间发表的学术论文1 2 2 谢1 2 3 j 沦文1 2 4 c o n t e n t s c o n t e n t s a b s t r a c t i i i c h a p t e r 1i n t r o d u c t i o n 1 1 1r e s e a r c hb a c k g r o u n d 1 1 2r e s e a r c hs i g n i f i c a n c e 2 山东大学博士学位论文 3 3i n f l u e n c eo fs p i r a la n g l eo no i lf i l mr u p t u r eo fs p i r a lo i lw e d g ej o u m a lb e a r i n g 3 0 3 3 1i n f l u e n c eo f s p i r a la n g l eo nr u p t u r el o c a t i o n 3 0 3 3 2i n f l u e n c eo f s p i r a la n g l eo nr e f o r m a t i o nl o c a t i o n 3 1 3 3 3i n f l u e n c eo f s p i r a la n g l eo nr u p t u r ea r e a 3 2 3 4i n f l u e n c eo fr o t a t i n gs p e e do no i lf i l mr u p t u r eo fs p i r a lo i lw e d g ej o u m a l b e a r i n g 3 3 3 4 1i n f l u e n c eo f r o t a t i n gs p e e do nr u p t u r el o c a t i o n 3 3 3 4 2i n f l u e n c eo f r o t a t i n gs p e e do nr e f o r m a t i o nl o c a t i o n 3 4 ：；4 3i n f l u e n c eo f r o t a t i n gs p e e do nr u p t u r ea r e a 3 5 3 5i n f l u e n c eo fs u p p l yp r e s s u r eo no i lf i l mr u p t u r eo fs p i r a lo i lw e d g ej o u m a l b e a r i n g 3 6 3 5 1i n f l u e n c eo f s u p p l yp r e s s u r eo nr u p t u r el o c a t i o n 3 6 3 5 2i n f l u e n c eo f s u p p l yp r e s s u r eo nr e f o r m a t i o nl o c a t i o n 3 7 3 5 3i n f l u e n c eo f s u p p l yp r e s s u r eo nr u p t u r ea r e a 3 8 3 6i n f l u e n c eo fe c c e n t r i c i t yr a t i oo no i lf i l mr u p t u r eo fs p i r a lo i lw e d g ej o u r n a l b e a r i n g 3 8 3 6 1i n f l u e n c eo f e c c e n t r i c i t yr a t i oo nr u p t u r el o c a t i o n 3 8 3 6 2i n f l u e n c eo f e c c e n t r i c i t yr a t i oo nr e f o r m a t i o nl o c a t i o n 3 9 3 6 3i n f l u e n c eo fe c c e n t r i c i t yr a t i oo nr u p t u r ea r e a 4 0 3 7b r i e f s u m m a r y 4 1 c h a p t e r4e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nc a v i t a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fs p i r a lo i lw e d g e j o u r n a lb e a r i n g 4 3 4 1i n t r o d u c t i o n 4 3 4 2e x p e r i m e n ts c h e m e 4 3 4 2 1o v e r v i e wo f t h ct e s tr i g 4 3 4 2 2a d j u s t m e n t so f t h et e s tr i g 4 5 4 2 3m a i np a r a m e t e r sf o rt h ee x p e r i m e n t 。4 5 4 2 4e x p e r i m e n tc o n t e n t s 4 7 4 2 5e x p e r i m e n tm e t h o d s 4 7 4 3e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dd i s c u s s i o n 4 8 4 3 1c a v i t a t i o ns h a p ea n dr u p t u r el o c a t i o no f o i lf i l m 4 8 v i c o n t e n t s 4 3 2r e f o r m a t i o nl o c a t i o no f o i lf i l m 5 6 4 3 3r u p t u r ea r e ao fo i lf i l m 6 9 4 3 4c a v i t a t i o ns t r i po f r u p t u r e r e g i o n 7 2 4 3 5o i lf l o w r a t eo f b e a r i n g 7 3 4 3 6o i lf l o w r a t eo f o u t l e th o l e s 7 5 4 3 7t e m p e r a t u r er i s eo fo i lf i l m 7 7 4 4b r i e f s u m m a r y 7 8 c h a p t e r5i n f l u e n c eo fb o u n d a r yc o n d i t i o n so nt h ep e r f o r m a n c e so fs p i r a lo i l w e d g ej o u r n a lb e a r i n g 81 5 1i n t r o d u c t i o n 8 1 5 2t h e o r e t i c a lf o u n d a t i o n 8 1 5 2 1s t a t i cp e r f o r m a n c em o d e l 8 1 5 2 2d y n a m i cp e r f o r m a n c em o d e l 8 2 5 2 3b o u n d a r yc o n d i t i o n 8 4 5 3a n a l y s i so fi n f l u e n c ef a c t o r so nt h es t a t i cp e r f o r m a n c e 8 5 5 3 1i n f l u e n c eo fs p i r a la n g l eo nt h es t a t i cp e r f o r m a n c e 8 5 5 3 2i n f l u e n c eo ft h eo i lw e d g ew i d t ha n db e a r i n gw i d t hr a t i oo nt h es t a t i c p e r f o r m a n c e 8 6 5 3 3i n f l u e n c eo f w r a pa n g l eo f o i lw e g eo nt h es t a t i cp e r f o r m a n c e 8 7 5 4a n a l y s i so f t h ei n f l u e n c ef a c t o r so nt h ed y n a m i c p e r f o r m a n c e 8 8 5 4 1i n f l u e n c eo fs p i r a la n g l eo nt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c e 8 8 5 4 2i n f u e n c eo f t h el e n g t h t o d i a m e t e rr a t i oo nt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c e 9 0 5 4 3i n f l u e n c eo f s t a t i ce c c e n t r i c i t yr a t i oo nt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c e 9 2 5 5b r i e fs u m m a r y 9 4 c h a p t e r6t h e r m o h ) + d r o d 3 n a m i ca n a l y s i so ns p i r a lo i lw e d g ej o u r n a lb e a r i n g c o n s i d e r i n gc a v i t a t i n ge f f e c t s 9 7 6 1i n t r o d u c t i o n 9 7 6 2t h e o r e t i c a la n a l y s i s 9 7 6 2 1g e n e r a l i z e dr e y n o l d se q u a t i o n 9 7 6 2 2v i s c o s i t y - t e m p e r a t u r ee q u a t i o n 9 8 6 2 3e n e r g ye q u a t i o ni nt h ef i l m 9 8 6 2 4h e a tc o n d u c t i o no f t h e b e a r i n g 9 9 v i i 山东大学博士学位论文 曩葛皇皇詈昌皇詈皇曼皇曼曼! 曼鼍曼鼍! 葛鼍曼皇鼍i i ll ! 暑曼暑置e ! ! 鼍詈曼皇詈曼詈墨苎曼暑! 暑e ! 詈詈暑! 詈詈! 曼曼詈詈巴曼! 曼! ! ! ! ! 目 6 2 5t e m p e r a t u r eb o u n d a r yc o n d i t i o n j 10 0 6 3t w o p h a s ef l o wc a v i t a t i o nm o d e l 1 0 1 6 4n u m e r i c a ls o l u t i o n 1 0 1 6 5b e a r i n gi n n e rs u r f a c et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n 10 3 6 5 1i n f l u e n c eo f s p i r a la n g l eo nb e a r i n gi n n e rs u r f a c et e m p e r a t u r e 1 0 3 6 5 2i n f l u e n c eo fs u p p l yp r e s s u r eo nb e a r i n gi n n e rs u r f a c et e m p e r a t u r e 10 3 6 5 3i n f l u e n c eo fs u p p l yo i lt e m p e r a t u r eo nb e a r i n gi n n e rs u r f a c et e m p e r a t u r e 10 4 6 6b r i e fs u m m a r y 1 ( ) ! ； c o n c l u s i o n s 1 0 7 111 c ep a p e r s d u r i n gp h d s t u d y 1 2 2 n t s 1 2 3 1 2 4 摘要 摘要 高速、超高速工况下，润滑油膜极易产生破裂，从而形成空穴。空穴的产生 对滑动轴承工作性能的影响越来越成为人们普遍关注的问题。其中空穴的边界是 研究焦点之一，油膜破裂边界和油膜再形成边界的确定是保证轴承在理想条件下 运转的必要条件。基于这个出发点，以螺旋油楔滑动轴承为对象，采用理论与实 验相结合的方法，研究了螺旋油楔滑动轴承的空穴特性，为高速滑动轴承的设计 与应用奠定基础。 ( 1 ) 以满足流量平衡的油膜破裂边界和再形成边界为基础，建立了将完整油 膜区和空穴区统一起来的通用方程，并导出了通用方程的差分求解公式。 ( 2 ) 理论研究了螺旋油楔滑动轴承的油膜破裂区形状、油膜破裂位置、油膜 再形成位置以及油膜破裂面积，揭示了油腔螺旋角、转速、供油压力以及偏心率 对油膜空穴特性的影响规律。油腔螺旋角和偏心率是影响油膜破裂位置的两个至 关重要的因素；转速、供油压力的改变对油膜破裂位置没有明显的影响。油膜再 形成位置、油膜破裂面积受油腔螺旋角、转速、供油压力和偏心率的影响较大。 ( 3 ) 为了便于观察轴承空穴，对原有的高精度泔动轴承实验台进行了改进。 实验中轴承材料为有机玻璃。对螺旋油楔滑动轴承的空穴特性进行了试验研究。 采集了不同转速、供油压力下的油膜破裂区图像；测量了轴承端泄量、出油孔流 量及平均温升；对实验结果进行处理，得到了油腆再形成位置及破裂面积与转速 和供油压力的试验关系式，发现了油膜破裂位置不受转速和供油压力的影响。并 与普通三腔滑动：车 i l 承的油膜破裂区域进行了试验对比，揭示了各自的空穴区特点。 ( 4 ) 将本文扣：导的质量守恒边界与实验拟合边界分别进行了比较：采用两种 边界所计算的油膜破裂位置差距不大；一个油腔的油膜再形成位置与实验比较接 近，另两个油腔有一定的误差，主要是两个油腔位于实验台底部，测量时的误差 所导致。油股破裂面积的理论值与实验值误差较小。 ( 5 ) 以质量守恒边界和实验拟合边界为基础，研究了不同结构和工作参数下， 边界条件对轴承动静特性的影响规律，揭示了这科t 轴承的独有特性。结果显示： 轴承油腔结构刈+ 轴承的静、动态特性的影响较为肼j 显。采用两种边界所得结果有 山东大学博士学位论文 暑曼皇皇曼置鼍詈毫号昌詈皇量! 皇曼置曼皇曼量皇鲁詈鼍皇皇皇皇! 曼曼! 皇曼曼! ! ! 兰寡皇詈! 鼍皇。一一一一 一j _ m 皇 一定的误差，是由于数据测量和边界拟合的误差所致。 ( 6 ) 研究了螺旋油楔滑动轴承的流体热动力。根据实验观察，油膜空穴区流 体由两部分组成：油膜破裂与再形成之间的条形流以及粘附在轴颈表面的层流。 因此，空穴区采用气液两相流共同存在的状态，即蒸汽和润滑油的混合物。空穴 区的物理参数以两相流的平均特性来替代。完整油膜区采用润滑油的物理参数。 将广义雷诺方程、油膜能量方程及轴瓦热传导方程联立，分析了油腔螺旋角以及 供油压力、供油温度对轴承内表面温度的影响规律。结果显示：油腔螺旋角、供 油温度对轴承内表面温度的影响比较大；供油压力的影响较小。 本课题为国家重点基础研究发展计划( 9 7 3 计划) ( 项目编号：2 0 0 9 c b 7 2 4 4 0 4 ) 螺旋油楔；边界条件；油膜破裂位置；油膜再形成位置；油膜破裂 两相流空穴模型；热动力分析 a b s t r a c t a b s t r a c t u n d e rh i g hs p e e da n ds u p e r - h i g hs p e e dc o n d i t i o n s ，t h eo i lf i l mi se a s yt oc r a c ka n d b e c o m e sc a v i t a t i o n t h ee x i s t e n c eo fc a v i t a t i o nh a sag r e a te f f e c to nt h ew o r k c h a r a c t e r i s t i c so fj o u r n a l b e a t i n gw h i c hb r i n g so u tm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n t h e b o u n d a r yo fc a v i t a t i o ni st h eb e s ti m p o r t a n t ，t h ed e c i s i o no fr u p t u r eb o u n d a r ya n d r e f o r m a t i o nb o u n d a r yo fo i lf i l mi sn e s s a r yt ok e e pb e a r i n gw o r k i n gi nad e s i r a b l e c o n d i t o n b a s e do nt h i s ，t h ec a v i t a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fas p i r a lo i lw e d g ej o u m a l b e a r i n gh a v eb e e ni n v e s t i g a t e dt h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l y 、i t hav i e wt od e s i g n a n da p p l i c a t i o no fh i g hs p e e d jo u m a lb e a r i n g s f i r s t l y , b a s e do nt h er u p t u r eb o u n d a r ya n dr e f o r m a t i o nb o u n d a r yo fo i lf i l mw h i c h i ss a t i s f i e dw i t ht h ef l o w r a t eb a l a n c e ，t h ec o m m o ne q u a t i o nw h i c hi n t e g r a t e st h eo i lf i l m r e g i o na n dc a v i t a t i o nr e g i o ni se s t a b l i s h e d ，a n dd e d u c e dt h ef o r m u l a sb ym e a n so ff i n i t e d i f f e r e n t i a lm e t h o d s e c o n d l y , t h er u p t u r er e g i o ns h a p e so fo i lf i l m ，r u p t u r el o c a t i o n so fo i lf i l m ， r e f o r m a t i o nl o c a t i o n so fo i lf i l ma n dr u p t u r ea r e ao fs p i r a lo i lw e d g ej o u m a lb e a r i n ga r e s t u d i e dt h e o r e t i c a l l y , a n dt h ei n f l u e n c e so fs p i r a la n g l eo fo i lw e d g e ，r o t a t i n gs p e e da n d s u p p l yp r e s s u r eo nc a v i t a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa r ei n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a t s p i r a la n g l ea n de c c e n t r i c i t yr a t i oh a v eg r e a ti n f l u e n c e so nr u p t u r el o c a t i o no fo i lf i l m ； t h ec h a n g eo fr o t a t i n gs p e e da n ds u p p l yp r e s s u r eh a sn o ta ne f f e c to nr u p t u r el o c a t i o n ； a n dr o t a t in gs p e e d ，s u p p l yp r e s s u r ea n de c c e n t r i c i t yr a t i oh a v eag r e a ti n f l u e n co n r e f o r m a t i o nl o c a t i o no fo i lf i l ma n dr u p t u r ea r e ao fo i lf i l m t h i r d l y , t h eo r i g i n a lj o u r n a lb e a r i n ge x p e r i m e n tt a b l ei si m p r o v e di no r d e rt o o b s e r v et h ec a v i t a t i o n t h em a t e r i a lo fj o u r n a lb e a r i n gi ss y n t h e t i cg l a s s t h e nt a k e s s o m ep i c t u r e so fs p i r a lo i lw e d g e j o u r n a lb e a r i n g su n d e rd i f f e r e n tr o t a t i n gs p e e d sa n d s u p p l yp r e s s u r e sa n dm e a s u r e st h eo i lf l o w 7 r a t eo ft h ej o u r n a lb e a r i n g sa n do u t l e th o l e s o fs p i r a lo i lw e d g e j o u r n a lb e a r i n ga n dt e m p e r a t u r er i s eo ft h el u b r i c a n t f i n a l l y ，o b t a i n s t h er e l a t i o n so fr e f o r m a t i o nl o c a t i o no fo i lf i l ma n dr u p t u r ea r e ao fo i lf i l mw i t ht h e r o t a t i n gs p e e do ft h es h a f ta n ds u p p l yp l + e s s u r ea n df i n d st h a tr o t a t i n gs p e e da n ds u p p l y p r e s s u r eh a v en o ta ne f f e c to nr u p t u r el o c a t i o no fo i lf i l m a n dc o m p a r e dw i t hc o m m o n t h r e ew c d g ej o u r n a lb e a r i n gi nt h ee x p e r i m e n t ，a n dr e v e a l st h ec a v i t a t i o nc h a r a c t e r i s t i c 山东大学博十学位论文 o f e a c h t h ee x p e r i m e n t a lf i t t i n gb o u n d a r yi sc o m p a r e dw i t hj f ob o u n d a r ya n ds h o w st h e r u p t u r el o c a t i o no fo i lf i l mu n d e rt w ob o u n d a r y si sa l m o s ti d e n t i c a l ，t h er e f o r m a t i o n l o c a t i o no fo n eo i lw e d g ei st h es a m ew i t he x p e r i m e n tr e s u l ta n dt h er e f o r m a t i o no ft h e o t h e rh a sag r e a tg a p ，t h em a i nr e a s o ni st h a tt w oo i l w e d g el o c a t e st h eb o s o mo f e x p e r i m e n tt a b l ea n dh a ss o m ee r r o r si nt h em e a s u r e m e n t t h ee r r o rb e t w e e nt h e t h e o r e t i c a lr e s u l ta n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l to fr u p t u r ea r e ao fo i lf i l mi sm o r el e s s b a s e do nj f ob o u n d a r ya n de x p e r i m e n t a lf i t t i n gb o u n d a r y , t h ee f f e c t so ft h e b e a r i n gc o n f i g u r a t i